Nazywają ją zwyczajnie. To dla nich po prostu maszyna. Jak jakiś parowóz, młockarnia czy ferrari. Ale Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) jest najpotężniejszym i najbardziej skomplikowanym narzędziem, jakie stworzył człowiek, by pogłębić swoją wiedzę o świecie.
Miliony jej elementów wypełniają 27-kilometrowy tunel i kilka podziemnych hal pod Szwajcarią i Francją. Wśród tysięcy naukowców i inżynierów, którzy to urządzenie tworzyli w laboratoriach Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN), były i są setki Polaków, w większości krakowian. Elementy Zderzacza czy aparatury, jaką jest opleciony, powstawały m.in. w dawnej Hucie Sendzimira czy pewnej firmie elektronicznej z Suchej Beskidzkiej.
Tam gdzie latają protony
- Tam wszystko zaczyna się od takiej małej czerwonej butelki wypełnionej wodorem - tłumaczy działanie maszyny prof. Michał Turała z krakowskiego Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, który jest od 20 lat związany z tym projektem.
To z tej butelki pochodzą protony, które trafiają do tunelu, a dokładniej do biegnącej nim rury, w której panuje próżnia. Poruszają się w przeciwnych kierunkach. Kołowy tor nadaje im 2 tysiące nadprzewodzących magnesów. Protony przyspieszane są do olbrzymiej energii 7 bilionów elektronowoltów. To oznacza, że każdy z nich jest siedem tysięcy razy cięższy niż w stanie spoczynku. W dotychczasowych akceleratorach można było nadać cząsteczkom energię siedem razy mniejszą. Tak przyspieszone protony zderzają się.
- Do takich zderzeń dochodzi oczywiście w warunkach naturalnych, w kosmosie. Jednak ich zaobserwowanie jest niezwykle trudne. W Zderzaczu będą następowały co 25 nanosekund. To taki czas, jakiego światło potrzebuje na pokonanie 7,5 metra - tłumaczy prof. Turała.
W maszynie zderzenia będą mogły być poddane kontroli. Służy do tego aparatura wypełniająca wielkie podziemne hale o wysokości kilku pięter, rozlokowane w czterech miejscach tunelu. Wielkie detektory mają tam wychwytywać cząstki, jakie w efekcie zderzeń powstaną. Będą zapewne wśród nich takie, które fizycy poznali już dawno. Ale Zderzacz wybudowano kosztem niemal dziesięciu miliardów euro i przygotowuje się eksperymenty kosztujące kolejne miliardy, po to by poznać cząstki nowe.
Bozon Higgsa
- Część fizyków liczy wyłącznie na odkrycie bozonu Higgsa. Ta grupa będzie musiała dość długo czekać, bo spodziewamy się, że na jego pierwsze ślady natrafimy dopiero po wielu miesiącach zbierania danych - mówi dr Andrzej Siemko, pracujący od kilkunastu lat w CERN i mający tam najwyższą z Polaków pozycję.
Bozon Higgsa zwany jest boską cząsteczką, która miała istnieć przez pierwsze 10 sekund po Wielkim Wybuchu i dać początek całej znanej dzisiaj materii. Współczesna fizyka, ta której ojcem jest Albert Einstein, przewiduje istnienie tej cząsteczki, ale eksperymentalnie jej istnienia dotąd nie udało się potwierdzić.
- Druga grupa fizyków, w tym i ja, bierze pod uwagę możliwość zaobserwowania zjawisk świadczących o istnieniu nowej, jeszcze nieznanej fizyki. Takie zjawiska możemy zobaczyć stosunkowo szybko, choć naturalnie nie jesteśmy w stanie przewidzieć, czy i kiedy to nastąpi - dodaje dr Siemko.
Dlaczego kosmos przyspiesza?
- Astrofizycy i kosmologowie mówią nam, że te cząstki, które w tej chwili fizyka zna, stanowią jedynie 5 proc. gęstości energii wszechświata. Pięć procent całej energii to ta jej forma, jaką znamy. Kolejne dwadzieścia procent to tzw. ciemna materia. Cząstki, jakie ją tworzą, muszą być spoza tych, które dotychczas znamy. I jest jeszcze coś bardziej tajemniczego, czyli tzw. ciemna energia.
To dziś tylko słowo, termin. Nikt nie ma zielonego pojęcia, co by to miało być, jaka jest jej natura. Domyślamy się jej istnienia, bo inaczej nie potrafimy wytłumaczyć pewnego zjawiska. Jeśli mamy obiekty, które wybuchają, jak kiedyś wszechświat, to oczekujemy, że wskutek działania siły grawitacji przyspieszenie lecących od miejsca wybuchu cząstek będzie z czasem maleć, bo działa siła grawitacji.
Tymczasem pochodzące z końca XX wieku dane mówią, że ekspansja wszechświata zamiast zwalniać przyspiesza. Coś powoduje odpychanie się od siebie materii. Możliwości techniczne Zderzacza, a zwłaszcza wielka energia, jaką może on nadać cząsteczkom, mogą nam pomóc w rozwiązaniu tej zagadki, zmienić nasze wyobrażenia o świecie.
Dla faceta, który jak ja od 40 lat zajmuje się fizyką teoretyczną, to nadzieja, że na starość doczekam się czegoś nowego od czasów tej rewolucji, którą obserwowałem jako zupełnie młody fizyk - tłumaczy sens wybudowania Zderzacza prof. Marek Jeżabek, dyrektor Instytutu Fizyki Jądrowej PAN.
Pożytki ze Zderzacza
Maszyna według pierwszych planów miała ruszyć już w 1997 roku, bo tunel został wydrążony 30 lat temu, na potrzeby akceleratora od dużo niższej energii niż Zderzacz. - Kiedy w 1983 roku na jednym z seminariów usłyszałem o tym projekcie, byłem zszokowany jego parametrami. Nie sądziłem, że uda się je osiągnąć za mojego życia - opowiada prof. Turała.
Zderzacz powstał. Po drodze zaangażowani w to naukowcy wymyślili rozwiązania, które zmieniły życie miliardów ludzi. Sztandarowym przykładem jest sieć WWW, czyli system udostępniania i pozyskiwania dokumentów elektronicznych, który zrewolucjonizował światowy przepływ informacji.
Nowe generacje detektorów cząstek elementarnych, opracowane w CERN dla potrzeb eksperymentów fizycznych, w krótkim czasie znalazły zastosowanie w medycynie. Przykładami są "PET" - tomografia emisji pozytonów, dająca nowe możliwości w diagnostyce medycznej oraz nowe metody obrazowania danych z "PET" i prześwietleń rentgenowskich, w efekcie pozwalające na zwiększenie rozdzielczości obrazów i znaczne obniżenie dawek promieniowania w popularnych badaniach tomografii komputerowej.
CERN to międzynarodowa organizacja założona w 1952 roku przez państwa zachodniej Europy. Polska jako jedyny z krajów bloku wschodniego miała za czasów PRL w CERN status państwa-obserwatora. Pracowało tam stale albo przyjeżdżało na stypendia wielu Polaków. - Ja trafiłem do CERN przez radziecką Dubną, gdzie pojechałem z Krakowa w 1969 r. - opowiada prof. Turała.
W nadwołżańskim Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych spędził sześć lat. Działał tam wówczas najpotężniejszy akcelerator, o mocy dwukrotnie wyższej niż podobne urządzenie działające wówczas w CERN. Profesor pojechał tam z rodziną także z powodów prozaicznych. Zarabiał nieco więcej niż w Polsce, ale najważniejsze było, że dostał tam dwupokojowe mieszkanie.
- Paradoksalnie to stamtąd mogłem pojechać w świat. Rosjanom było jeszcze trudniej wyjechać na Zachód niż nam. Mój szef powiedział mi kiedyś "Ja nie mogę, to ty jedź". I tak w 1973 r. znalazłem się na 3 miesiące w CERN. Pojechałem podpatrzyć co oni tam robią - opowiada profesor.
Pracował wtedy m.in. u prof. Georges'a Charpaka, który później w 1992 roku dostał Nagrodę Nobla za konstrukcję detektorów cząstek elementarnych, które stały się specjalnością także prof. Turały. W 1991 roku prezydent Lech Wałęsa ratyfikował odpowiednią umowę i Polska stała się pełnoprawnym członkiem CERN. Płaci składki i może uczestniczyć w badaniach. - To była pierwsza organizacja świata zachodniego, do której Polska przystąpiła. Dla nas to było takie naukowe NATO - ocenia prof. Jeżabek.
Najazd z Krakowa
Od lat co miesiąc w CERN pracuje kilkudziesięciu Polaków. To głównie pracownicy IFJ PAN i AGH. Wśród nich inżynier-mechanik Marek Stodulski. Pierwszy raz wyjechał tam jeszcze w 1987 r. Był jednym z tych, którzy przemierzali tunel Zderzacza na rowerach. Pamięta jak do tunelu zjeżdżał ostatni z montowanych tam magnesów.
Jego obudowa była pokryta podpisami, tych którzy uczestniczyli w tym historycznym dla projektu wydarzeniu. Spędził tam w sumie 6 lat. Pracował m.in. przy budowie ATLASA, jednego z potężnych detektorów, czyli długiego na 46 m cylindra o średnicy 25 m, które służą do badania efektów zderzeń protonów.
- To była fascynująca praca. Taka, która nigdy nie może się znudzić. Zawsze pracowaliśmy nad prototypowymi rozwiązaniami, więc niespodzianek nie brakowało. Zawsze też ktoś czekał na mój trybik. Miałem swoje małe satysfakcje, no i tę świadomość, że przyczyniam się do tego, iż ludzkość dowie się czegoś ważnego - opowiada.
- Tam jest zupełnie inna atmosfera niż w narodowych laboratoriach. Nikt nie czuje się obco. Ludzie związani z CERN są wyraźnie zdeterminowani, by wspólnie osiągnąć cel. To bardzo pomaga w pracy - tłumaczy inżynier.
Podziemna wieża Babel
- ATLASA budowało 150 instytutów z całego świata. A jednak się udało. To nie jest świat idealny, ale mogą tam razem pracować ludzie z bardzo różnych krajów, nawet Izraelczycy z Palestyńczykami - dodaje prof. Turała.
- W CERN nauczyliśmy się, że w różnorodności, również tej kulturowej, tkwi siła. Jednym z osiągnięć CERN jest umiejętność wykorzystywania tej siły - mówi z kolei dr Siemko, jeden z 2500 pracowników CERN. Kieruje tam zespołem odpowiedzialnym m.in. za systemy zabezpieczeń Zderzacza Hadronów i koordynację jego uruchamiania.
Maszynę budowali naukowcy z 20 państw europejskich należących dziś do CERN, ale także setki naukowców m.in. z USA, Japonii, Indii. Również wielkie światowe koncerny i firmy dużo mniejsze. Kilka lat temu jeden z przetargów ogłoszony przez IFJ PAN na dostawę urządzeń do zastosowania przy CERN wygrała np. firma Fideltronik z Suchej Beskidzkiej.
- Kiedy w zeszłym roku doszło do awarii Zderzacza, to się nawet zastanawialiśmy, czy to nie przez nas, ale reklamacji nie było - śmieje się Piotr Byrski, dyrektor handlowy. Pracownicy Fideltronik wysłali wtedy do Szwajcarii zasilacze wysokonapięciowe. To było pięćset wypakowanych elektroniką płytek o wymiarze kartki A-4. - Była to dla nas rutynowa robota. Ale jak słyszy się o tym Zderzaczu, to miło pomyśleć, że jest tam też coś od nas - dodaje dyr. Byrski.
Maszyna, czyli Wielki Zderzacz Hadronów, ciągle nie osiągnęła pełni swych możliwości. Niesłychanie skomplikowany projekt dręczą awarie. Opracowana przez krakowskich inżynierów metoda mierzenia bardzo małych oporów elektrycznych pozwoliła ostatnio na rozpoczęcie diagnozowania przyczyn tej z lata ubiegłego roku.
Prof. Rolf Heuer, dyrektor CERN, podczas swej niedawnej wizyty w Krakowie podkreślił, że Polacy są dziś zaangażowani we wszystkie wielkie projekty realizowane przy pomocy Zderzacza. Ich pomoc, zwłaszcza tych z Krakowa, ocenił jako niezastąpioną. - Pełną energię Zderzacz powinien osiągnąć w przyszłym roku. Częstotliwość zderzeń protonów będzie narastać przez kilka najbliższych lat - powiedział nam.
Dopiero wtedy zacznie okazywać się, czy marzenia naukowców o odkryciu "boskiej cząsteczki" czy wyjaśnieniu tajemnicy "ciemnej energii" zaczną się spełniać. A może Wielki Zderzacz Hadronów pozostanie po naszej cywilizacji takim śladem jak piramidy po Egipcie?
